摘要：電氣自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)全面考慮自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、用戶操作的舒適度、長(zhǎng)期運(yùn)行等特點(diǎn)?；诖?，詳細(xì)闡述了蚌埠自來(lái)水廠的電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)自來(lái)水廠工藝、系統(tǒng)架構(gòu)、西門子PLC的選型配置、設(shè)備控制、系統(tǒng)調(diào)試等進(jìn)行了具體分析。通過(guò)蚌埠自來(lái)水廠的電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，總結(jié)了自來(lái)水廠電氣自控設(shè)計(jì)的流程及設(shè)備控制方式，可為今后自來(lái)水廠自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：PLC;控制柜;工控機(jī);自來(lái)水廠;自控系統(tǒng)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，人們對(duì)水的需求量劇增，對(duì)水質(zhì)的要求也越來(lái)越高，這就要求自來(lái)水廠不斷提高供水設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性及節(jié)能性，為社會(huì)生產(chǎn)生活提供有力保障。因此，如何更高效地控制和運(yùn)行自來(lái)水廠自控系統(tǒng)，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的一個(gè)熱門課題。

1 項(xiàng)目背景

1.1? ? 項(xiàng)目概述

蚌埠自來(lái)水廠本期規(guī)模為4萬(wàn)m3/d，其主要生產(chǎn)構(gòu)筑物包括：取水泵房、穩(wěn)壓井、絮凝沉淀池、V型濾池、清水池、污泥濃縮池、吸水井及送水泵房、加藥及活性炭間、排泥池、脫水機(jī)房、鼓風(fēng)機(jī)房及加氯間和清水池等。

蚌埠自來(lái)水廠自控系統(tǒng)采用分布式集中控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全廠自動(dòng)化控制，配備必要的液位檢測(cè)、達(dá)標(biāo)水在線檢測(cè)的三項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)（pH值、余氯、濁度）和進(jìn)出水流量的中控顯示，在中控室可以對(duì)全廠設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并隨時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

1.2? ? 出水水質(zhì)要求

對(duì)原水進(jìn)行處理后，出廠水水質(zhì)必須滿足國(guó)家頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）相關(guān)要求。

1.3? ? 自來(lái)水廠工藝介紹

1.3.1? ? 工藝流程圖

水處理工藝方案為混合、絮凝沉淀+過(guò)濾工藝，具體如下：芡河水→混合→絮凝→沉淀→過(guò)濾→清水池→二泵房→供水管網(wǎng)。工藝流程圖如圖1所示。

1.3.2? ? 工藝流程說(shuō)明

自來(lái)水廠通過(guò)混合、絮凝、沉淀、過(guò)濾、消毒這幾個(gè)主要步驟來(lái)完成自來(lái)水的生產(chǎn)。

（1）混合的基本要求是藥劑投加后，水流使藥劑均勻地?cái)U(kuò)散到整個(gè)水中，即快速混合。

（2）絮凝的基本要求是有良好的水力條件和足夠的絮凝時(shí)間，本次絮凝形式是常用的網(wǎng)格絮凝。

（3）沉淀的基本要求是有足夠的沉淀時(shí)間，進(jìn)出水均勻，池內(nèi)水流穩(wěn)定，盡量提高沉淀效率，減少紊動(dòng)。本次沉淀形式采用目前常用的平流式沉淀池。

（4）過(guò)濾一般是指以石英砂等有空隙的粒狀濾料層通過(guò)粘附作用截留水中懸浮顆粒，從而進(jìn)一步除去水中細(xì)小懸浮雜質(zhì)、有機(jī)物、細(xì)菌、病毒等，使水澄清的過(guò)程。

（5）水經(jīng)過(guò)濾后，濁度進(jìn)一步降低，同時(shí)亦使殘留細(xì)菌、病毒等失去渾濁物保護(hù)或依附，為濾后消毒創(chuàng)造了良好條件。雖然經(jīng)過(guò)混凝、沉淀和過(guò)濾，可以除去水中大多數(shù)細(xì)菌和病毒，但消毒能起到保證飲用水達(dá)到細(xì)菌學(xué)指標(biāo)的作用，同時(shí)它也能使城市水管末梢保持一定的余氯量，以控制細(xì)菌繁殖并預(yù)防污染。目前自來(lái)水常用的消毒方法為二氧化氯消毒。

2 電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? ? 設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)自來(lái)水廠工藝要求，配置必要的檢測(cè)儀表、可編程控制器（PLC）、工控機(jī)和通信系統(tǒng)，構(gòu)成分布式集中控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：

（1）中央控制層;

（2）PLC現(xiàn)場(chǎng)控制層;

（3）網(wǎng)絡(luò)通信層。

2.2? ? 設(shè)計(jì)要求

監(jiān)控系統(tǒng)建立在開放型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的“開放”體系，使系統(tǒng)易于擴(kuò)充和升級(jí)，且滿足以下要求：

（1）HMI軟件必須具備很強(qiáng)的可靠性及實(shí)時(shí)性，與整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)高效、無(wú)縫集成。

（2）設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范要求;廣泛采用分布式處理技術(shù)，具有良好的可移植性、可擴(kuò)展性和聯(lián)網(wǎng)功能;便于功能和系統(tǒng)的擴(kuò)展及升級(jí)。

（3）為了達(dá)到高可靠性，兩臺(tái)監(jiān)控站應(yīng)互為熱備。

（4）具有系統(tǒng)診斷及過(guò)程診斷功能，以便在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)進(jìn)行故障定位。

2.3? ? 電氣自控系統(tǒng)組成

電氣自控系統(tǒng)本著技術(shù)先進(jìn)、性價(jià)比高、實(shí)用可靠的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。本工程采用以PLC為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在中央控制室利用工控機(jī)對(duì)廠內(nèi)各工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)備控制層PLC各個(gè)子站與上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)相互獨(dú)立，可以不依靠上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，保證了生產(chǎn)過(guò)程的獨(dú)立性和安全性。

各PLC之間及PLC與中央控制系統(tǒng)之間通過(guò)光纖EtherNet（以太網(wǎng)）相互連接。

PLC站與控制室工控機(jī)組成局域網(wǎng)，工控機(jī)具備友好的組態(tài)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC站的監(jiān)控，可及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，包括各種運(yùn)行參數(shù)的當(dāng)前值，配電系統(tǒng)、檢測(cè)儀表和工藝設(shè)備是否異常等，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)、工藝檢測(cè)參數(shù)的設(shè)定、異常狀態(tài)的報(bào)警和處理功能。同時(shí)，動(dòng)態(tài)顯示全廠工藝流程、各工段監(jiān)控畫面、工藝及電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)圖表，繪制各種參數(shù)運(yùn)行曲線，做出趨勢(shì)分析，供技術(shù)人員分析比較，以便確定最佳運(yùn)行方案。

系統(tǒng)控制級(jí)別由高到低為：就地控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。離工藝過(guò)程越近的控制層具有越高的優(yōu)先權(quán)。

2.4? ? 中控室設(shè)備

中控室設(shè)備主要包括工控機(jī)、打印機(jī)、組態(tài)軟件、拼接大屏等，本次系統(tǒng)組態(tài)軟件選用的是組態(tài)王，性價(jià)比很高，功能也很強(qiáng)大。中控室最核心的是兩臺(tái)研華工控機(jī)和兩套組態(tài)王無(wú)限點(diǎn)運(yùn)行版軟件。

2.5? ? 現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站

本次控制系統(tǒng)包含5個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站，系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)I/O點(diǎn)數(shù)為1 090點(diǎn)，I/O分布：1#PLC站（DI：80/DO：40/AI：20/AO：6）;2#PLC站（DI：80/DO：80/AI：20/AO：6）;3#PLC站（DI：80/DO：40/AI：40/AO：10）;4#PLC站（DI：232/DO：120/

AI：40/AO：10）;5#PLC站（DI：120/DO：40/AI：20/AO：6）。

2.5.1? ? 1#PLC站

1#PLC站為取水泵房控制站，包含西門子S7-1500 PLC及模塊、電氣柜、觸摸屏、交換機(jī)、電氣元器件、安裝輔材、成套裝配等，PLC模塊配置清單如表1所示。

2.5.2? ? 2#～5#PLC站

2#PLC站為沉淀池控制站，3#PLC站為配電間控制站，4#PLC站為濾池控制站，5#PLC站為脫水機(jī)房控制站。各站點(diǎn)配置與1#PLC站相似，都是西門子S7-1500 PLC，模塊數(shù)量略有差異，濾池控制站控制點(diǎn)數(shù)較多，所以輸入/輸出模塊的數(shù)量也比其他站點(diǎn)多。

2.5.3? ? PLC品牌選擇

本次PLC選用西門子S7-1500 PLC。西門子S7-1500作為迄今為止功能最強(qiáng)大、高性價(jià)比的PLC之一，得到了廣泛應(yīng)用。本項(xiàng)目選擇S7-1500 PLC的原因如下：

（1）S7-1500 CPU上配置有LED顯示屏，可方便地顯示CPU狀態(tài)和故障信息等。

（2）S7-1500所有CPU集成1～3個(gè)PROFINET接口，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信和公司網(wǎng)絡(luò)通信低成本快速組態(tài)。

（3）由于S7-1500 PLC可以無(wú)縫集成到博途軟件中，無(wú)論是硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接和上位組態(tài)，還是軟件編程，其操作均簡(jiǎn)單快捷。

3 設(shè)備控制及調(diào)試

自來(lái)水廠自動(dòng)化控制與現(xiàn)場(chǎng)的工藝聯(lián)系緊密，本次主要介紹加藥系統(tǒng)和濾池系統(tǒng)，其他工藝段設(shè)備不再一一贅述。

3.1? ? 加藥系統(tǒng)控制

加藥系統(tǒng)主要包含以下幾種藥劑：堿鋁、氫氧化鈉、次氯酸鈉。堿鋁藥劑主要作用是快速吸附水中懸浮物，起到助凝作用;氫氧化鈉藥劑主要用于調(diào)節(jié)原水pH值;次氯酸鈉溶液在水中主要水解為次氯酸和次氯酸根，次氯酸有強(qiáng)氧化性，從而可以達(dá)到消毒的效果。

加藥系統(tǒng)自帶PLC控制器，由自控系統(tǒng)PLC負(fù)責(zé)計(jì)算加藥量，由加藥PLC負(fù)責(zé)控制藥劑制備、加藥計(jì)量泵啟停以及攪拌機(jī)啟停。

3.2? ? 濾池系統(tǒng)控制

作為自來(lái)水廠水處理中間環(huán)節(jié)，也是自來(lái)水廠工藝核心部分，濾池系統(tǒng)由濾池進(jìn)水、濾池、濾池出水、反沖水池、反沖風(fēng)機(jī)、反沖水泵和濾池配套閥門閘門組成，濾池運(yùn)行有兩種工作狀態(tài)，即濾池過(guò)濾和濾池反沖，在運(yùn)行過(guò)程中，兩種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換。

濾池過(guò)濾：正常情況下，濾池進(jìn)水閘門打開，濾池出水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至一定開度，廠區(qū)水源從濾池進(jìn)水途經(jīng)濾池濾料，最終自流至反沖水池，為保證濾池過(guò)濾均衡，通常通過(guò)調(diào)節(jié)出水蝶閥保持濾池液位恒定。

濾池反沖：濾池過(guò)濾一段時(shí)間后，由于濾料表層對(duì)水中懸浮物和浮渣的隔離，水中雜質(zhì)被留在濾料中，當(dāng)雜質(zhì)沉積到一定程度，濾池過(guò)濾效率就會(huì)大大降低，嚴(yán)重情況下會(huì)造成濾池堵塞，這時(shí)就需要進(jìn)行濾池清洗，即濾池反沖。

圖2所示為蚌埠自來(lái)水廠濾池反沖流程，需要在濾池反沖不同階段打開或關(guān)閉濾池閥門，啟動(dòng)運(yùn)行反沖風(fēng)機(jī)或反沖水泵。

3.3? ? 系統(tǒng)調(diào)試

在調(diào)試前，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)全部場(chǎng)地及設(shè)備進(jìn)行清潔，創(chuàng)造良好的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境并防止意外事故的發(fā)生。

按照接線原理圖和接線表逐一核查設(shè)備端和控制柜端的接線是否符合設(shè)計(jì)要求。接線核查完畢，控制柜和被控設(shè)備上電?，F(xiàn)場(chǎng)和控制室各一人，現(xiàn)場(chǎng)人員啟停設(shè)備，控制室人員查看觸摸屏顯示或PLC上指示燈，每個(gè)開關(guān)量信號(hào)核對(duì)4次，即“閉合—斷開—閉合—斷開”，這樣按照接線表，逐一測(cè)試各個(gè)設(shè)備狀態(tài)信息。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備信號(hào)校對(duì)正確，即校對(duì)完成后，開始單動(dòng)測(cè)試。

現(xiàn)場(chǎng)人員將設(shè)備“遠(yuǎn)程/就地”旋鈕旋至遠(yuǎn)程，控制室人員在上位機(jī)手動(dòng)啟動(dòng)或打開設(shè)備，在此期間，現(xiàn)場(chǎng)人員和控制室測(cè)試人員確認(rèn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)變化，最終保證被控設(shè)備能控，并且達(dá)到預(yù)期的控制要求。

在水廠所有設(shè)備能正確單動(dòng)控制后，開始聯(lián)動(dòng)測(cè)試。

聯(lián)動(dòng)測(cè)試環(huán)節(jié)是控制系統(tǒng)測(cè)試的最后環(huán)節(jié)，也是整個(gè)儀控系統(tǒng)最復(fù)雜和最重要的環(huán)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)需要多方的參與。其中，自控工程師兩人，負(fù)責(zé)中控室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試操作;工藝人員和設(shè)備人員配合自控工程師，指導(dǎo)和優(yōu)化控制系統(tǒng)控制效果;自控工程師根據(jù)使用單位工藝工程師要求，調(diào)整系統(tǒng)控制算法、參數(shù)，使自控系統(tǒng)滿足使用單位的管理和維護(hù)需要。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的電氣自控系統(tǒng)采用了工業(yè)控制領(lǐng)域先進(jìn)的集中管理、分散控制體系結(jié)構(gòu)，最大程度地保證了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。在設(shè)計(jì)中采用合理工藝、合理布置，盡量降低工程投資，在保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，爭(zhēng)取獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)配置考慮了適當(dāng)余量，方便以后擴(kuò)展。

另外，需要重視的是，程序設(shè)計(jì)不能閉門造車，在現(xiàn)場(chǎng)要多聽業(yè)主或相關(guān)工藝人員的意見，充分考慮工程實(shí)際操作、管理、維護(hù)的方便，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

筆者通過(guò)這次自來(lái)水廠電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，更全面地了解了自來(lái)水廠的自控設(shè)計(jì)流程和注意事項(xiàng)，在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中對(duì)方案進(jìn)行了部分完善，特別是現(xiàn)場(chǎng)濾池控制過(guò)程的調(diào)整，總的來(lái)說(shuō)，受益匪淺。雖然說(shuō)每個(gè)項(xiàng)目都不可能一樣，每個(gè)自來(lái)水廠的設(shè)備或工藝都有所差異，但萬(wàn)變不離其宗，其電氣自控系統(tǒng)的架構(gòu)是相通的，也許選擇的PLC品牌不一樣，但它們的原理是一樣的。本次電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程及設(shè)備控制方式，可為今后自來(lái)水廠自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50055—1993[S].

[2] 儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)定：HG/T 20509—2000[S].

[3] 自動(dòng)化儀表工程施工及驗(yàn)收規(guī)范：GB 50093—2002[S].

[4] 分散型控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范：HG/T 20573—2012[S].

[5] 信號(hào)報(bào)警、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定：HG/T 20511—2000[S].

[6] 儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)定：HG/T 20513—2000[S].

[7] 可編程控制器系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)定：HG/T 20700—2000[S].

[8] 工業(yè)電視系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50115—2009[S].

[9] 低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50054—2011[S].

[10] 電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50174—1993[S].

收稿日期：2021-02-23

作者簡(jiǎn)介：陳美林（1984—），男，江西新余人，工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化。